Prosiding Seminar Nasional Fisika (E-Journal) SNF2016 http://snf-unj.ac.id/kumpulan-prosiding/snf2016/
VOLUME V, OKTOBER 2016
p-ISSN: 2339-0654 e-ISSN: 2476-9398
DOI: doi.org/10.21009/0305020505
KOMPAKTIFIKASI π
πΊπ ΓπΊπ MENGGUNAKAN LAGRANGIAN MEDAN SKALAR DENGAN SUKU KINETIK POWER LAW Fima Ardianto Putra Departemen Fisika FMIPA UI, Kampus UI Depok, 16424 1
[email protected]
Abstrak 1
Kompaktifikasi dimensi ekstra 5-D dengan suku kinetik Hukum Pangkat (Power Law) π + π½2 π 2 telah berhasil menggulung satu dimensi ekstra, serta memperoleh informasi radius dan kestabilannya. Namun dari kajian tersebut didapatkan kompaktifikasi Anti-de Sitter (AdS) pada empat dimensi. Hal itu menunjukkan bahwa Lagrangian yang dipilih belum sesuai dengan Lagrangian alam semesta tempat kita berada. Kata Kunci: Kompaktifikasi, Hukum Pangkat, dan Anti-de Sitter (AdS) Abstract 1
Compactification of 5-D extradimension using Power Law π + π½2 π 2 has been successfull in compactifying one extradimension, and obtainning itβs radius and stability information. Nevertheless, from this study, we obtained Anti-de Sitter (AdS) in four dimensional viewpoint. This confirms that the Lagrangian model which are choosen has not yet been compatible with respect to the Lagrangian of our space where we are. Kata Kunci: Campactification, Power Law, dan Anti-de Sitter (AdS)
1. Pendahuluan Teori Dawai merupakan teori yang sejauh ini dipandang memungkinkan dalam upaya penyatuan antara Model Standar dan gravitasi. Namun sebagaimana yang sudah dipahami bahwa Teori Dawai bisa bekerja secara konsisten dalam tinjauan dimensi sepuluh. Sepuluh dimensi ini terdiri dari ruang empat dimensi tempat kita tinggal dan ruang enam dimensi tambahan yang tersembunyi[1,2]. Dimensi tambahan inilah yang dikenal dengan sebutan Dimensi Ekstra [3]. Berbeda dengan dimensi empat yang tidak terbatas dan bisa dideteksi keberadaannya, dimensi ekstra tidak bisa dideteksi keberadaanya dalam kehidupan sehari-hari, karena dimensi ini dipostulatkan tersembunyi dengan cara terkompak melingkar membentuk struktur tertutup dan berukuran terbatas (sangat kecil) [4,5]. Dengan demikian diperlukan suatu prosedur yang mengaitkan antara dimensi ekstra dan dimensi empat di mana kita tinggal. Prosedur ini disebut dengan kompaktifikasi dawai yang memungkinkan kita bisa menggambarkan keadaan dimensi ekstra yang tersembunyi melalui sudut pandang dimensi empat, yang meliputi bagaimana radius dan kestabilan dimensiekstra[3].
Penelitian ini merupakan kelanjutan dari penelitian sebelumnya mengenai kompaktifikasi dimensi ekstra model sederhana (toy model) 5D menggunakan medan skalar Dirac Born Infeld (DBI)[6]. Dalam penelitian ini dilakukan pergantian suku kinetik dalam Lagrangian menggunakan Hukum Pangkat (power-law). Dari penelitian sebelumnya, model yang diajukan untuk menjelaskan mekanisme kompaktifikasi berhasil dalam menggulung satu dimensi ekstra, serta memperoleh informasi radius dan kestabilannya. Namun dari kajian tersebut tidak didapatkan kompaktifikasi vacua de Sitter (dS) pada empat dimensi sehingga tidak sesuai dengan keadaan alam semesta kita. Hal itu menunjukkan bahwa Lagrangian yang dipilih belum sesuai dengan Lagrangian alam semesta[6]. Melalui pergantian suku kinetik
dalam
menjadi π +
1 π½2
model
DBI
π½2 (β1 +
2 π½2
π β 1)
π 2 , kita akan mencari tahu apakah
model ini bisa menghasilkan konstanta kosmologi yang bersifat de Sitter (dS) jika dibawa ke dimensi empat sedemikian sehingga sesuai dengan alam semesta tempat kita berada ataukah tidak.
Seminar Nasional Fisika 2016 Prodi Pendidikan Fisika dan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Negeri Jakarta
SNF2016-TPN-25
Prosiding Seminar Nasional Fisika (E-Journal) SNF2016 http://snf-unj.ac.id/kumpulan-prosiding/snf2016/
2. Fluks Vacua Pada Lima Dimensi Persamaan aksi pada lima dimensi dengan Lagrangian Power Law dinyatakan sebagai berikut: (1) 5
π = β« π π₯Μ ββπΜ ( π 4
Μ
βπ (π·π·
Μ3 π
2 2 )2
π
Μ β (π +
1 π½2
2
π )+
1 Μ
. Dalam penelitian ini, kita dengan π β‘ ππ΄ π·π π΄ π· 2 mengambil kasus fluks vacua dengan asumsi bahwa π Μ
β π 2 )2 berada potensial medan skalar π = (π·π· 4 pada keadaan dasar (ground state). Hal ini menunjukkan bahwa potensial medan skalar diminimumkan yang disebut dengan effectively frozen Μ
adalah fungsi pada |π·|2 = π 2 . Selanjutnya, π· dan π· dari π yang mana π(π₯ π ) = ππ₯5 adalah fungsi ansatz yang dipilih untuk bagian suku kinetiknya. Fase π menggambarkan berapa kali fluks medan skalar menggulung dimensi ekstra, jadi π adalah bilangan bulat. Dengan demikian, aksi dalam Persamaan (1) dinyatakan sebagai berikut:
(2) π = β« π 5 π₯Μ ββπΜ ( π2
1
( π ππ π½2 2 π΄
π΄
2
π2
π
Μ β ( ππ΄ ππ π΄ π + 2
2
π) ) β π¬Μ) .
. Suku pertama dan ke-dua dalam Persamaan (2) masing-masing dimasukkan ke dalam Persamaan Euler-Lagrange sedemikian sehingga menghasilkan Persamaan Medan Einstein dimensi lima dan persamaan dinamika medan skalarnya, yaitu πΊΜπ΄π΅ = ππ΄π΅ Μ
3 π
dan ππ [ββπΜ (1 +
π2 π½
π΄
Berdasarkan tensor metrik ππ 2 = πΜππ ππ₯ π ππ₯ π = πΜππ ππ₯ π ππ₯ π + πΜ55 (π₯ π )ππ₯52 dengan asumsi bahwa πΜ55 (π₯ π ) = πΏ2 = konstan, akan didapatkan solusi πππ yang menunjukkan bahwa dimensi ekstra akan terkompak menurut syarat batas 0<π₯5 <2ππΏ[2]. Di sini juga digunakan fungsi ansatz π(π₯ π ) = ππ₯5 sehingga tensor metrik lima dimensinya π2
β π¬Μ) .
Μ3 π
p-ISSN: 2339-0654 e-ISSN: 2476-9398
VOLUME V, OKTOBER 2016
menjadi ππ ππ π π = ππ ππ π π + π5 ππ 5 π = 2 . Akibat πΏ beberapa ketentuan ini, tensor energi-momentum πππ dalam Persamaan (3) terbagi menjadi tensor energimomentum untuk dimensi empat dan dimensi ekstranya yang masing-masing dinyatakan oleh πππ = β
π2 2
(πΜππ
π2 πΏ2
)β
π4 2π½ 2
(πΜππ
1 π4 2 πΏ4
) β πΜππ π¬Μ
(4)
dan (5) π55 =
π2 2
(βπΜ55
π2 πΏ2
+ 2π2 ) +
π4 2π½ 2
(βπΜ55
1 π4 2 πΏ4
+2
π4 πΏ2
)
βπΜ55 π¬Μ . Kedua persamaan di atas selanjutnya dapat dinyatakan π dalam Persamaan Medan Einstein πΊΜπ΄π΅ = Μ
π΄π΅ , π3 sehingga akan terlihat hubungan antara radius dimensi ekstra dan Tensor Ricci. Untuk skalar Ricci-nya dinyatakan dengan π
= 12π» 2 , yang mana nilai π» 2 bisa positif atau negatif tergantung apakah tinjauan kita berupa de Sitter (dS) atau Anti-de Sitter (AdS)[7]. Melalui asumsi tersebut, didapatkan hubungan πΊΜππ = β3π» 2 πΜππ dan πΊΜ55 = β6π» 2 πΜ55 . Akibatnya, Persamaan (4) dan (5) menjadi β3π» 2 =
2
(ππ΄ ππ π)) π ππ π] 2
1 Μ
3 π
[β
π 2 π2 2πΏ2
β
π 4 π4 4π½ 2 πΏ4
β π¬Μ]
(6)
dan = 0. Persamaan di atas dipenuhi oleh fungsi Ansatz π(π₯ π ) = ππ₯5 .
(7) β6π» 2 =
2. Tensor Energi-Momentum Tensor energi-momentum terkait dengan penentuan radius dimensi ekstra. Di sini akan dibahas terlebih dahulu tensor energi-momentum yang sesuai dengan kondisi Lagrangian Power Law sebelumnya sedemikian sehingga diperoleh
πππ =
2
π4 2π½2
π΄
(βπΜππ ππ΄ ππ π + 2ππ πππ π) + 1
(βπΜππ (ππ΄ ππ π΄ π)2 + 2(ππ΄ ππ π΄ π)ππ πππ π)
[β
π 2 π2 2πΏ2
+
π 2 π2 πΜ55
β
π 4 π4 4π½ 2 πΏ4
+
π 4 π4 π½ 2 πΏ2 πΜ55
β π¬Μ] .
Dari kedua persamaan di atas, kita bisa memperoleh hubungan antara konstanta Hubble dan radius dimensi ekstra, yaitu 3π» 2 =
(3) π2
1 Μ
3 π
1 Μ
3 πΜ55 π
[π 2 π2 +
π 4 π4 π½ 2 πΏ2
].
(8)
Persamaan ini secara tidak langsung akan berganutng pada nilai π¬Μ yang bisa menunjukkan apakah tinjauan kita berupa de Sitter (dS) atau Anti-de Sitter (AdS) pada dimensi empat.
2
βπΜππ π¬Μ . Seminar Nasional Fisika 2016 Prodi Pendidikan Fisika dan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Negeri Jakarta
SNF2016-TPN-26
Prosiding Seminar Nasional Fisika (E-Journal) SNF2016 http://snf-unj.ac.id/kumpulan-prosiding/snf2016/
4. Penentuan Radius
2 π
2β
Untuk menentukan radius dalam sudut pandang lima dimensi , kita akan menggabungkan Persamaan (6) dan (7) sedemikian sehingga akan diperoleh 3 polinomial pangkat empat, yaitu βπ¬ΜπΏ4 β π 2 π2 πΏ2 β 5 π 4 π4 4 π½2
2
= 0. Berarti solusi dari Persamaan (3.18) di atas
adalah
πΏ21
=
4 4 3 2 2 9 Μπ π π π +β π 4 π4 β5π¬ 2 4 π½2
+π 3ππ πΏ2 ππ₯52 [6]. Kita akan gunakan metrik tensor tersebut untuk menghasilkan Lagrangian kanonik yang mengandung Skalar Ricci dan medan skalar radion. Untuk Skalar Ricci Lima Dimensi mengandung penjumlahan π
Μππ dan π
Μ55 , yaitu π
Μ = πΜππ π
Μππ = πΜππ π
Μππ + πΜ55 π
Μ55 [6]. Dengan demikian, hasil akhir dari penjumlahan π
Μ(4) dan πΜ55 π
Μ55 adalah Skalar Ricci 5-D, yaitu (11) πΜππ ππ Μ π
= πΜ π
ππ β 2 ππ πππ π + ππ
2 3
β π΄
(9)
Μ β2π¬
ππ ππΌπ
dan
2
πΏ22
=
p-ISSN: 2339-0654 e-ISSN: 2476-9398
VOLUME V, OKTOBER 2016
4 4 3 2 2 9 Μπ π π π ββ π 4 π4 β5π¬ 2 4 π½2
.
Μ β2π¬
(10)
Kedua solusi di atas harus bernilai positif untuk menghindari adanya bilangan imajiner ketika diambil bentuk akar kuadrat dari besaran radius. Untuk πΏ21 akan bernilai positif hanya jika π¬Μ bernilai negatif dengan syarat batas π¬Μ < 0. Berarti nilai πΏ21 akan diperoleh dengan syarat konstanta kosmologi yang bersifat Anti-de Sitter. Kemudian untuk πΏ22 akan bernilai imajiner baik untuk kondisi π¬Μ yang bernilai positif maupun π¬Μ yang bernilai negatif. Jadi, model yang kita gunakan pada lima dimensi menghasilkan konstanta kosmologi Anti-de Sitter. Namun kita belum bisa menentukan bahwa radius yang ditentukan dari Tensor Einstein adalah radius dimensi ekstra yang sedang kita cari. Untuk bisa menentukan hal itu, kita akan masuk pada tinjauan dimensi empat terlebih dahulu.
5. Sudut Pandang Empat Dimensi Sudut pandang empat dimensi merupakan sudut pandang di mana kita tinggal dan bisa melakukan observasi dan pengukuran terkait fenomena fisika. Serangkaian kajian yang sudah kita jabarkan sebelumnya merupakan kajian yang berada pada dimensi yang lebih tinggi, yaitu dimensi lima. Pada dimensi ini kita sulit melakukan penilaian mengenai kestabilan dimensi ekstra yang sedang kita tinjau. Untuk itu, pada bagian ini akan dilakukan reduksi dimensional agar tinjauan kita berada pada dimensi empat. Hal ini akan dilakukan menggunakan metode yang disebut dengan transformasi konformal. Transformasi konformal dinyatakan sebagai β
ββ
2 π 3ππ
πππ πππ,πΌ ππ π) .
Untuk medan skalar radion akan dibahas dalam bagian berikutnya, karena medan ini terkait dengan penentuan potensial efektif.
6. Potensial Efektif Empat Dimensi Kestabilan dimensi ekstra bisa diketahui menggunakan potensial efektif empat dimensi. Langkah ini akan dilakukan melalui transformasi konformal, sedemikian sehingga akan terjadi reduksi dimensional dari aksi lima dimensi ke dalam aksi empat dimensi. Dari sini selanjutnya bisa diperoleh potensial efektif empat dimensi. Untuk menentukan potensial empat dimensi, kita mulai dari aksi pada Persamaan (2) yang dituliskan kembali menjadi dua suku seperti di bawah ini: π = β« π 5 π₯Μ ββπΜ
Μ3 π 2
π
Μ β β« πΎπ 5 π₯Μ
(12)
dengan π
Μ seperti yang dinyatakan dalam Persamaan (11) dan πΎ menunjukkan suku yang tidak memiliki kaitan dengan tensor Ricci, yang dinyatakan sebagai berikut: (13) π2
π΄
πΎ = ββπΜ ( ππ΄ ππ π + 2
π2
1
( π ππ π½2 2 π΄
π΄
2
π) ) + ββπΜ π¬Μ
. Suku ini akan digunakan untuk menentukan potensial efektif empat dimensi. Namun sebelumnya akan kita lakukan reduksi ββπΜ terlebih dahulu melalui prosedur di bawah ini: ββπΜ = ββπππ‘(πΜ00 πΜ11 πΜ22 πΜ33 πΜ55 )
2 π 3ππ
πΜππ = π΄πππ dan πΜ55 = π΄β2 πΏβ2 , dengan π΄ = π . Sehingga, metrik tensornya dapat dituliskan menjadi ππ 2 = πΜππ ππ₯ π ππ₯ π = π
πΌπ (ππΌπ ππΌ πππ π + π,πΌ ππ π +
(14)
= ββπππ‘(π΄β4 πΜ00 πΜ11 πΜ22 πΜ33 (π΄πΏ)2 ) = π΄β1 πΏββπ .
πππ ππ₯ π ππ₯ π
Akibat reduksi ini, suku pertama dalam Persamaan (12) menjadi Seminar Nasional Fisika 2016 Prodi Pendidikan Fisika dan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Negeri Jakarta
SNF2016-TPN-27
Prosiding Seminar Nasional Fisika (E-Journal) SNF2016 http://snf-unj.ac.id/kumpulan-prosiding/snf2016/
β« π 5 π₯Μ ββπΜ
Μ3 π 2
2π π
Μ = β« π 4 π₯ β«0 ππ₯ 5 πΏββπ
(πππ π
ππ β
π ππ 2 π
π
(15)
2
πππ π πππ π) ππ 2 π
= β« π 4 π₯ ββπΜ ( 1
Μ3 π
VOLUME V, OKTOBER 2016
ππ 2 2
π
β
π).
Suku ini menunjukkan aksi dengan Lagrangian yang disumbangkan oleh medan gravitasi dan medan nongravitasi, yang dalam hal ini adalah sembarang medan skalar[8,9]. Selanjutnya untuk suku ke-dua, kita gunakan transformasi konformal dengan tensor metrik ππ 2 = πΜππ ππ₯ π ππ₯ π = π maka didapatkan
ββ
2 π 3ππ
πππ ππ₯ π ππ₯ π + π
2β
2 π 3ππ 2
πΏ ππ₯52 ,
ππ ππ π π = πΜππ ππ πππ π + πΜ55 (π5 π)2
(16)
= π΄β2 πΏβ2 π2 . Persamaan (16) akan dimasukkan ke dalam Persamaan (13) kemudian diintegralkan terhadap dimensi ekstra dengan batas integrasinya merupakan batas dimensi ekstra itu sendiri yaitu: (17) 2π β« πΎπ 5 π₯Μ = β« π 4 π₯ β«0 ππ₯ 5 π΄β1 πΏββπ π 2 π2
[(
2 π΄2 πΏ2
+
π4
π4
4π½ 2 π΄4 πΏ4
) + π¬Μ]
= β« π 4 π₯ββπ π(π, π) . Dengan demikian, potensial efektifnya adalah (18) π(π, π) = 2ππΏπ
ββ
2 π 3ππ
π 2 π2
[
2 πΏ2
π
π 4 π4 4π½2 πΏ4
2 π 3ππ
β2β
π
β4β
+
2 π 3ππ
+ π¬Μ] .
Selanjutnya, untuk mengetahui kestabilan penggulungan dimensi ekstra pada potensial empat dimensi dapat dilakukan dengan cara mengambil turunan pertama potensial terhadap medan skalar sebagai berikut: [
ππ
]
ππ π=0
=0
p-ISSN: 2339-0654 e-ISSN: 2476-9398
bernilai positif hanya jika π¬Μ bernilai negatif dengan syarat batas π¬Μ < 0 . Kemudian untuk πΏ22 akan bernilai imajiner baik untuk kondisi π¬Μ yang bernilai positif maupun π¬Μ yang bernilai negatif. Setelah Persamaan (18) diturunkan menurut ketentuan dalam Persamaan (19), ternyata memang diperoleh radius yang sama dengan Persamaan (9) dan (10). Hal ini menunjukkan bahwa dalam sudut pandang dimensi empat, dimensi ekstranya akan terkompaktifikasi dengan radius tersebut. Potensial dalam Persamaan (19) terdiri dari dua suku, yaitu suku yang mengandung Medan Skalar Power Law dan suku yang mengandung konstanta kosmologi. Suku yang mengandung medan skalar Power Law memberikan efek dorongan pada dimensi ekstra sehingga dimensi ini cenderung untuk membesar menuju takberhingga. Hal ini disebabkan oleh medan Higgs yang terdapat di dalam medan tersebut. Fluks medan Higgs ini berfungsi menggulung dimensi ekstra. Semakin kuat fluksnya, maka semakin kuat pula efek dorongan yang dihasilkannya. Sementara itu, suku yang mengandung konstanta kosmologis memberikan efek tarikan pada dimensi ekstra sehingga dimensi ini cenderung untuk menyusut menuju ukuran nol. Hal ini disebabkan oleh sifat Anti-de Sitter yang berlaku pada potensial di atas. Suku ini disebut sebagai potensial penghalang yang bekerja melawan efek dorongan dari medan Higgs. Jadi bentuk potensial di atas merupakan kombinasi dari efek dorongan dan tarikan yang akan memberikan kestabilan pada dimensi ekstra dengan ketentuan yang bergantung dari parameter-parameter di dalamnya. Semakin kecil nilai π, maka titik minimum pada potensial efektif akan semakin naik. Jadi semakin kecil nilai π kompaktifikasi semakin menuju ketidakstabilan, sehingga jika ada sedikit gangguan yang diberikan, maka kompaktifikasi akan βterbukaβ. Namun kompaktifikasi tetap saja tidak bisa terbuka menuju takterhingga karena adanya potensial penghalang. Sebaliknya, semakin besar nilai π, maka titik minimum akan semakin turun yang menunjukkan bahwa kompaktifikasi menggunakan medan Power Law akan semakin stabil. Selanjutnya, semakin kecil nilai π½, maka titik minimum grafik potensial efektif akan semakin naik, sebaliknya semakin besar nilai π½, maka titik minimum akan semakin turun yang menunjukkan bahwa kompaktifikasi semakin stabil. Jadi nilai π dan π½ sangat menentukan kestabilan dimensi ekstra dengan radius πΏ yang sedang kita tinjau.
(19)
Jika turunan ini menghasilkan radius yang sama dengan Persamaan (9) dan (10), maka hal ini mengkonfirmasi bahwa radius yang kita dapat dari Tensor Einstein merupakan radius yang kita cari, namun tetap dengan ketentuan bahwa untuk πΏ21 akan Seminar Nasional Fisika 2016 Prodi Pendidikan Fisika dan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Negeri Jakarta
SNF2016-TPN-28
Prosiding Seminar Nasional Fisika (E-Journal) SNF2016 http://snf-unj.ac.id/kumpulan-prosiding/snf2016/
VOLUME V, OKTOBER 2016
7. Simpulan Model Lagrangian dengan suku kinetik Power Law berhasil dalam menggulung dimensi ekstra dengan syarat konstanta kosmologis yang bersifat Anti-de Sitter. Berarti model Lagrangian yang kita gunakan di sini belum sesuai dengan Lagrangian alam semesta yang mengharuskan konstanta konmologis de Sitter.
Daftar Acuan [1] J. Polchinsky. (2005). String Theory Vol 1. Cambridge University Press, United Kingdom. [2] Wray, Kevin. (2011). An Introduction to String Theory. [3] M. Grana. (2010). String Theory Compactification. Institut de Physique Theorique, France. [4] B. Zwiebach. (2004). A First Course in String Theory. Cambridge University Press, United Kingdom. [5] J. J. Blanco-Pillado, D. Schwartz-Perlov, A. Vilenkin. (2009). Quantum Tunneling in Flux Compactifications. JCAP 0912 (2009) 006. [6] B. A. Cahyo. (2014). Kompaktifikasi Dimensi Ekstra menggunakan Teori Einstein-Higgs NonLinier. Universitas Indonesia, Depok, Indonesia. [7] J. Podolsky, J. B. Griffith. (2009). Exact SpaceTimes in Einsteinβs General Relativity. Cambridge University Press. [8] M. P. Hobson, G. P. Efstathiou, A. N. Lasenby. (2006). General Relativity: An Introduction for Physicist. Cambridge University Press, United Kingdom. [9] Hidayat, Taufik. (2010). Teori Relativitas Einstein: Sebuah Pengantar. Penerbit ITB. Bandung. Indonesia
Seminar Nasional Fisika 2016 Prodi Pendidikan Fisika dan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Negeri Jakarta
SNF2016-TPN-29
p-ISSN: 2339-0654 e-ISSN: 2476-9398
Prosiding Seminar Nasional Fisika (E-Journal) SNF2016 http://snf-unj.ac.id/kumpulan-prosiding/snf2016/
VOLUME V, OKTOBER 2016
Seminar Nasional Fisika 2016 Prodi Pendidikan Fisika dan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Negeri Jakarta
SNF2016-TPN-30
p-ISSN: 2339-0654 e-ISSN: 2476-9398